マイクロ波の影響を評価する

Scientific Reports volume 12、記事番号: 22000 (2022) この記事を引用

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発光半導体量子ドット (QD) は、バイオイメージング研究のレポーターとして、またディスプレイ、発光ダイオード、太陽電池、センサーなどのデバイスのアクティブコンポーネントとして、生命科学および材料科学で頻繁に使用されています。 一方、量子ドット合成時のカドミウムや鉛などの有毒元素や有害な有機溶媒の使用に関する懸念の高まりにより、グリーンケミストリー合成法を使用した重金属を含まない量子ドットの探索が始まっています。 興味深い候補は、広いフォトルミネッセンス (PL) バンド、大きな実効ストークスシフト、高い PL 量子収率 (PL QY)、および長い PL 寿命を示す三元 AgInS2 (AIS) QD です。これらは、バイオイメージング、白色光などの用途に特に有益です。発光ダイオード、太陽光集光器など。 さらに、これらのナノ材料は、水溶液中でのマイクロ波支援 (MW) 合成により高品質に調製できます。 MW 合成の均一な熱拡散と瞬時の温度上昇により、QD の核生成と成長をより適切に制御できるため、バッチ間の再現性が向上します。 この研究では、試薬の添加順序、前駆体濃度、安定化チオールリガンドの種類などのパラメーターを変化させることにより、AIS/ZnS QD の MW 合成を体系的に調査し、得られる AIS/ZnS の光学特性に対するそれらの影響を評価しました。 QD。 最適化された合成条件下では、PL QY 65% と優れたコロイド安定性および長期安定性を備えた水溶性 AIS/ZnS QD を再現可能に調製できました。

過去数十年間で、半導体ナノ結晶 (量子ドット、QD とも呼ばれる) は、バイオイメージング、バイオセンシング、光電子デバイスなどの用途に人気がありました 1、2、3、4、5、6。 QD に対する強い関心は、サイズ、形状、化学組成によって光学特性を制御できる可能性に基づいています。 さらに、QD は非常に高いフォトルミネッセンス (PL) 量子収率 (QY) と高い光安定性を備えています 7、8、9。 最も人気のある量子ドットは、かつては重金属のカドミウムまたは鉛をベースにしていました10、11。 一方、これらの重金属の潜在的な毒性により、特にヨーロッパでは商用機器や用途での使用についてかなりの懸念が生じています。 さらに、CdTe を除いて、高品質の II/VI および IV/VI 量子ドット、および InP などの毒性の低い III/V 量子ドットは、一般に環境に有害な有機溶媒中で合成されます12。 したがって、より環境に優しい化学原理とナノマテリアルに対する安全な設計アプローチを開発および適用するというプレッシャーが高まる中、研究者らはここ数年、高いPL QYなどの比較的有益な光学特性を依然として備えているこれらの量子ドットの代替品に焦点を当て始めました。価値はありますが、重金属は含まれていません。 これにより、InP13、カーボンドット14、15、シリコンQD16、さらにCuInS2 (CIS)やAgInS2 (AIS)などの三元量子ドット、または可視および近距離でのPLを備えたAgInSZn (AISZ)やZnCuInS (ZCIS)などの四元量子ドットへの関心が引き起こされました。赤外線（NIR）領域17． 光学特性がバンドギャップの幅によってのみ制御される II/VI、IV/IV、III/V QD などの二元 QD とは対照的に、三元 QD の PL 特性はバンド内の欠陥状態に起因します。ギャップ構造１８． これにより、実効ストークス シフトが大きくなり、PL バンドが広くなり、数百ナノ秒程度の長い PL 寿命が実現します。 ドナー - アクセプター (D-A) ペアの放射再結合、自己捕獲励起子モデル (STE)、局在正孔と伝導帯電子の再結合、およびこれらのメカニズムの組み合わせなど、さまざまな PL メカニズムが使用されています。三元量子ドットのPLについて説明します19、20、21。

対応する二元 QD と同様に、三元 QD は通常、1-ドデカンチオールやオレイルアミンなどの配位子を利用した高沸点有機溶媒中でのホットインジェクションまたは加熱法によって調製されます。 したがって、これらの疎水性 QD を生物学的に関連する環境に適用するには、これらの疎水性 QD を水分散性にする後修飾ステップが必要です。 一般的なアプローチは、天然の疎水性リガンドをグルタチオン (GSH)、メルカプト酢酸 (MAA) または 3-メルカプトプロピオン酸 (MPA) などの親水性リガンドに交換することです。 この配位子交換は、新しい表面欠陥状態の形成によって引き起こされる PL QY の大幅な減少を引き起こす可能性があります 22。 さらに、有機溶媒中での合成は環境に優しくなく、グリーンケミストリーの原則を満たしていません。 環境への影響を軽減するには、毒性の少ない試薬を使用して水性媒体中で三元量子ドットを直接合成することが望まれています 23,24。 したがって、古典的な湿式合成アプローチ 25、26、27 および水熱法 28、29 に次いで、マイクロ波支援 (MW) 合成が、さまざまなタイプのナノ材料の調製で人気が高まっています 30。 MW 放射線の利用には、反応温度の非常に速い上昇や反応混合物中の安定した温度勾配など、多くの利点があります。 これにより、より均一なナノ粒子の調製が可能になり、反応の再現性が向上します 31、32、33、34。 一方、MW 合成アプローチは二元量子ドット用に最適化されていますが 35,36、PL QY > 50% を有する三元量子ドットの製造に関する報告はわずかです 37,38,39,40,41。 AIS QD の MW 合成におけるさまざまな合成パラメーターの強い影響は、最近、Soares ら 42 によって示されました。Soares らは、実験計画法アプローチを使用して、正確に調整された PL 特徴を備えた AIS/ZnS QD を合理的に調製しました。